(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210835969.5 (22)申请日 2022.07.15 (71)申请人 华中科技大 学 地址 430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路 1037号 (72)发明人 戴玲　陈俊杰　孙科　王诗琦　 张玉宸　 (74)专利代理 机构 华中科技大 学专利中心 42201 专利代理师 夏倩 (51)Int.Cl. G06F 30/28(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 17/11(2006.01) G06F 113/08(2020.01)G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 低频电流条件下的大电流真空电弧参数的 获取方法及系统 (57)摘要 本发明公开了一种低频电流条件下的大电 流真空电弧参数的获取方法及系统， 属于真空开 关过程仿真技术领域； 针对真空灭 弧室建立三维 模型， 利用磁流体动力学理论对真空电弧等离子 体进行仿真模拟， 建立了真空电弧等离子体的三 维磁流体动力学模型； 在对模型中大电流真空电 弧参数进行求解过程中， 由于离子参数、 电磁场 参数和电子参数相互依赖， 基于各参数之间的依 赖程度， 先计算离子参数和电磁场参数， 再计算 电子参数， 大大提高了计算的收敛性； 与此同时， 本发明引入电势和矢量磁位来对电磁场参数进 行求解， 减少了微分运算， 降低了计算的复杂 度， 计算效率较高。 权利要求书4页 说明书15页 附图2页 CN 115329688 A 2022.11.11 CN 115329688 A 1.一种低频电流条件下的大电流真空电弧参数的获取方法， 其特征在于， 包括以下步 骤： S1、 对真空灭弧室的燃弧区域进行三维网格剖分， 建立真空电弧等离子体的三维磁流 体动力学模型； 其中， 所述三维磁流体动力学模型包括真空电弧等离子体的流体方程和电 磁方程； 所述流体方程包括离子质量方程、 离子动量方程、 离子能量方程以及电子能量方 程； 所述电磁方程包括电势方程和矢量磁位方程； S2、 对所述三维磁流体动力学模型中的大电流真空电弧参数进行初始化； 所述大电流 真空电弧参数包括： 离子数密度、 离子温度、 离子速度、 电子数密度、 电子温度、 电子速度以 及燃弧区域的矢量磁位和电势； S3、 基于电势的当前值计算得到电场强度的当前值； 基于矢量磁位的当前值计算得到 磁场强度的当前值； 基于电场 强度、 磁场 强度和电子速度的当前值计算得到电流密度的当 前值； 基于离子温度的当前值计算得到离子粘性系数的当前值； 基于离子温度、 电子温度和 电子数密度的当前值计算离子传热系数 的当前值； 将离子数密度、 离子温度、 离子速度、 电 流密度、 磁场强度、 离子粘性系数和离子传热系数的当前值代入所述离子质量方程、 所述离 子动量方程和所述离子能量方程中进行联立求解， 以对离子数密度、 离子温度和离子速度 进行更新； S4、 基于离子数密度的当前值对电子数密度进行更新； 基于离子速度及电流密度的当 前值对电子 速度进行 更新； S5、 将电子数密度、 电子温度、 电子速度、 磁场强度和电流密度的当前值代入到所述电 势方程和所述矢量磁位方程中进行 联立求解， 得到燃弧区域的电势和矢量磁位的当前值； S6、 重复步骤S3 ‑S5进行迭代， 直至相邻两次迭代下的大电流真空电弧参数的残差值小 于第一预设阈值； S7、 基于电子数密度和电子温度的当前值计算电子传热系数的当前值； 将电子数密度、 电子速度、 离子温度、 电流密度及电子传热系 数的当前值代入所述电子能量方程中进行求 解， 以对电子温度进行 更新； S8、 重复步骤S3 ‑S7进行迭代， 直至相邻两次迭代下的大电流真空电弧参数的残差值小 于第二预设阈值， 此时的大电流真空电弧参数即为所求 参数值。 2.根据权利要求1所述的低频电流条件下的大电流真空电弧参数的获取方法， 其特征 在于， 将所述电子能量方程变换为 流体对流 ‑扩散方程形式， 具体为： 其中， Te为电子温度； k为波兹曼常数； ne为电子数密度； Ue为电子速度矢量； e为基本电 荷； J为电流密度矢量； λe为电子传热系数； Jx、 Jy、 Jz分别表示电流密度在x、 y、 z方向的分量； σ 为等离子体电导率； me为单个电子的质量； mi为单个离子的质量； vei为离子电子碰撞频率； Ti为表示离 子温度。 3.根据权利要求2所述的低频电流条件下的大电流真空电弧参数的获取方法， 其特征权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 115329688 A 2在于， 所述电子能量方程的边界条件包括： 电子阴极边界条件、 电子阳极边界条件以及电子 边缘边界条件； 所述电子阴极边界条件为： Te_in＝Te0； 所述电子阳极边界条件为： 所述电子边 缘边界条件为： 其中， Te_in和Te0分别为入口电子温度和初始电子温度； λe为电子传热系数； Te为电子温 度； ne为电子数密度； Uez为电子速度在z方向的分量； k为波兹曼常数； Te为电子温度； n为真 空电弧所在边界的法向方向。 4.根据权利要求1所述的低频电流条件下的大电流真空电弧参数的获取方法， 其特征 在于， 所述电势方程 为： 所述矢量磁位方程 为： 其中， 为电势； Ue为电子速度矢量； B为磁场强度； ne为电子数密度； e为基本电荷； Pe为 电子压力； Te为电子温度； Ax、 Ay、 Az分别表示矢量磁 位在x、 y、 z方向的分量； μ0为真空磁 导率； Jx、 Jy、 Jz分别表示电流密度在x、 y、 z方向的分量。 5.根据权利要求4所述的低频电流条件下的大电流真空电弧参数的获取方法， 其特征 在于， 所述电势方程的边界条件包括： 电势阴极边界条件、 电势阳极边界条件和电势边缘边 界条件； 所述电势阴极边界条件为： 所述电势阳极边界条件为： 所述电势边 缘边界条件为： 其中， 为电势； c为预设 常数； n为真空电弧所在边界的法向方向。 6.根据权利要求4所述的低频电流条件下的大电流真空电弧参数的获取方法， 其特征 在于， 所述矢量磁位方程的边界条件包括： 矢量磁位阴极边界条件、 矢量磁位阳极边界条件 以及矢量磁位 边缘边界条件； 所述矢量磁位阴极边界条件为： Ax＝0； Ay＝0； 权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 115329688 A 3